專利名稱：火花塞的制作方法
火花塞
相關(guān)申請的交叉引用本申請主張美國臨時專利申請No.60/790,215的權(quán)益，申請日為
2006年4月7日，其申請的全部公開作為本申請披露的一部分，并通過引用 合并入本申請。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及具有中央電極和接地電極的火花塞。該中央電極和該 接地電極中的至少一個部分具有基體材料和防護材料，以防止該基體材料的 腐蝕。火花塞在產(chǎn)業(yè)中為人熟知，并已長期用于在內(nèi)燃發(fā)動機內(nèi)引燃。 火花塞的基本功能是在發(fā)動機汽缸內(nèi)引燃氣體，其引燃產(chǎn)生動力沖程(power stroke)。由于內(nèi)燃發(fā)動機的特有屬性，火花塞會暴露于發(fā)動機汽缸內(nèi)所發(fā)生 的很多極端條件中，包括高溫和各種腐蝕性可燃氣體，這傳統(tǒng)地縮短了火花 塞的壽命?；鸹ㄇ治g也會縮短火花塞的壽命。電火花侵蝕是指由于汽化電極材料的火花弧的周期性能量，電極 以及特別是火花塞的點火端(firingtip)在操作期間侵蝕受損。傳統(tǒng)的火花塞具 有由易受火花侵蝕影響的鎳或鎳合金所形成的電極。為提高原料經(jīng)濟性，在 發(fā)動機內(nèi)使用新技術(shù)導(dǎo)致了更多的能量通過火花塞，以迫使火花跳躍過中央 電極和接地電極之間的間隙，以及潛在地較長的電弧持續(xù)時間。該增加的能 量增加了易受火花侵蝕影響的材料的火花侵蝕率，因此，更多的火花塞制造 商不再青睞常規(guī)使用的鎳或鎳合金材料，轉(zhuǎn)而尋求高度耐火花侵蝕的材料， 例如鉑、銥、或它們的合金。鎳和鎳合金傳統(tǒng)上非常耐腐蝕，但很多比鎳或鎳合金更加耐火花 侵蝕的替代金屬或替代合金，也易受腐蝕影響。最常用的替代鎳或鎳合金的 金屬是鉑、銥、或它們的合金。由于鉑和銥通常價格昂貴，所以期望最少量地利用該材料來作為火花部分。因此，由鉑或銥或其合金形成的火花部分通 常附于鎳或鎳合金中央電極上，并在尺寸上最小化。鉑和鉑合金在降低火花侵蝕方面表現(xiàn)良好，但它們易受腐蝕影響。 另外，鉑和鉑合金當(dāng)用于火花部分時可能與可燃組分形成合金，因此可能在 該火花部分上形成圓塊或贅生物。長時間后這些贅生物會逐漸影響火花或改 變火花間隙或火花輪廓，由此降低了火花塞的性能。進一步地，因為某些可 燃氣體會導(dǎo)致鉑火花部分的腐蝕，該種腐蝕會導(dǎo)致火花塞間隙改變，由此降 低了火花塞的性能?；鸹ㄈ阅艿慕档涂蓪?dǎo)致發(fā)動機失靈，燃料經(jīng)濟性的降 低，以及低劣的發(fā)動機性能。為增強火花塞性能和防止在火花塞的火花部分上各種材料的擴 大，很多火花塞制造商最近已轉(zhuǎn)而用銥作為放電或火花部分。由于銥具有非 常高的熔點，因此它高度地耐火花侵蝕，但是在較高操作溫度下易受氧化和 其它腐蝕影響。但是，發(fā)動機制造商通過發(fā)動機改進，對火花塞增加電應(yīng)力 和熱應(yīng)力，以提高燃料經(jīng)濟性，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，銥在高溫下具有非常不穩(wěn)定的氧 化狀態(tài)，例如火花塞操作范圍的上限(800-1100°C)。相比于傳統(tǒng)的發(fā)動機， 這些新技術(shù)發(fā)動機需要通過火花塞提供更多能量，以迫使火化跳躍過中央電 極和接地電極之間的間隙，并使火花塞的操作溫度增加。在高溫下，火花塞 的銥火花部分可能會遭受嚴重的腐蝕。在一種特殊的模式中，當(dāng)鈣和/或磷與銥反應(yīng)導(dǎo)致火花部分腐蝕和 侵蝕時，認為會發(fā)生銥的腐蝕。隨著發(fā)動機制造商試圖通過減少摩擦增加燃 油經(jīng)濟性，相對較新的發(fā)展是在可燃材料中含有鈣和磷，因此，有時容許更 多的油料滲入內(nèi)燃腔室中。鈣和磷主要存在于發(fā)動機油料中，尤其是油料添 加劑中。發(fā)動機氣缸中內(nèi)燃期間含有有氧的情況下，鈣和磷會與銥反應(yīng)形成 不穩(wěn)定的化合物，其蒸發(fā)并導(dǎo)致火花部分銥的損耗。更具體地，在燃燒和排 氣循環(huán)過程中，氣態(tài)的鈣會凝結(jié)在火花塞的銥火花部分上，尤其是火花部分 的側(cè)邊。已知熔融的鈣溶解銥，并且銥在含有磷時容易氧化。因此，當(dāng)磷和 氧與溶解的鈣銥混合物反應(yīng)后形成的化合物非常不穩(wěn)定，并且易受蒸發(fā)或汽 化，這導(dǎo)致了銥火花部分的損耗。更具體地，磷和鈣的腐蝕機理通常腐蝕電 極的側(cè)邊，而不是朝向相對電極的火花表面，這是由于火花表面上的火花的
9活性防止了腐蝕沉積物的堆積。圖1中顯示出火花部分的部分損耗的火花塞
示意圖。還應(yīng)當(dāng)注意，在約800至110(TC的溫度范圍內(nèi)且不含有鈣和磷的條 件下，銥仍可能遭受氧化，并且在含有鈣和磷的條件下，上述腐蝕過程在低 達60(TC時也可能發(fā)生，該溫度在火花塞的標(biāo)準(zhǔn)工作范圍內(nèi)。當(dāng)然，當(dāng)發(fā)動 機壓縮增加時，火花塞的溫度工作范圍將會增加，從而即使在不存在鈣和磷 的條件下，銥的氧化將會越來越成為一個難題。

發(fā)明內(nèi)容
綜上，本發(fā)明有關(guān)一種火花塞，其中中央電極和接地電極中的至 少一個包括火花部分，該火花部分具有高耐火花侵蝕的基體材料以及具有對 火花塞可能經(jīng)受的各種腐蝕機理的高度抵抗性的防護材料。該防護材料是涂 覆到基體材料或隨同該基體材料形成的作為外層的金屬合金薄層或者多個金 屬層。該防護材料可由具有從鎳、鉑、鈀、銠、銥、釕、錸、銅、鉻、釩、 鋯、鎢、鋨、金、鐵、和鋁所組成的組中選擇的至少一種元素的合金形成。本發(fā)明的其它應(yīng)用范圍將會從以下具體實施方式
、權(quán)利要求、及 附圖進一步說明。但是，應(yīng)當(dāng)理解，該具體描述和特定的示例雖然表明了本 發(fā)明優(yōu)選的實施方式，但它們僅用于說明目的，在本發(fā)明主旨和范圍內(nèi)的許 多變化和改進對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，是顯而易見的。


下面結(jié)合所附的權(quán)利要求，附圖，給出本發(fā)明的較佳實施例，使能更好地理 解本實發(fā)明的功能、特點。其中圖1是己被嚴重腐蝕的銥火花部分的示例性示意圖；
圖2是火花塞的部分截面圖；圖3是包括火花塞的火花部分的中央電極的放大截面圖；
圖4是包括火花塞的火花部分的中央電極的放大截面圖；
圖5是包括火花塞的火花部分的中央電極的放大截面圖；圖6是包括火花塞的火花部分的中央電極的放大截面圖；圖7是包括火花塞的火花部分的中央電極的放大截面圖8是包括火花塞的火花部分的中央電極的放大截面圖；
圖9是包括火花部分的接地電極的放大截面圖；圖IO是顯示出擴散邊界的火花部分的放大截面圖；圖11是包括火花塞的火花部分的中央電極的放大截面圖，該部分 在防護材料與基體材料擴散之前，具有多層防護材料；以及
圖12是包括火花部分的接地電極的放大截面圖。
具體實施例方式如圖所示，本發(fā)明有關(guān)一種火花塞10(圖2)，其具有接地電極12 和中央電極20。中央電極20和/或接地電極12包括火花部分30。火花部分 30可粘結(jié)、焊接38、或以其他方式接合于中央電極20 (圖2)和/或接地電 極12 (圖9)?；鸹ú糠?0包括基體材料36和一般作為外層或防護層的防護材 料34 (圖3-9)。如圖IO所示，防護材料34可與基體材料相互擴散，從而形 成在防護材料34和基體材料36之間無明顯層的火花部分30。更具體地，基 體材料36主要由耐火花侵蝕的材料形成，例如銥(Ir)、鉬(Pt)、鈀(Pd)、 銠(Rh)、釕(Ru)、錸(Re)、或它們的合金。上述組中最常用的元素包括 鉑和銥。用于形成上述基體材料合金的代表性添加物包括從由銥、鉑、鈀、 銠、釕、錸、鋯(Zr)、鎳(Ni)、和鎢(W)所組成的組中選取的一種或多 種元素。另一種由合金形成的代表性基體材料36更詳細地描述于美國專利申 請No.l 1/691,288中，申請日為2007年3月26日，名稱為"火花塞"。盡管 本發(fā)明將銥或鉑或銥合金或鉑合金考慮為基體材料，本發(fā)明并不局限于使用 銥或鉑、或銥或鉑合金作為基體材料。再一種適于用作基體材料的示例性銥 合金包括94%至99%重量比的銥、1%至3%重量比的銠、0.1%至1.5%重量比 的鎢、以及0.01%至0.1%重量比的鋯。對于大的工業(yè)用火花塞，基體材料通 常具有約1.8mm至4mm的直徑，對于車輛用火花塞為0.4mm至2.1mm，以 及對于模型用(hobby)火花塞為0.25mm至2.1mm。防護材料34防止基體材料的腐蝕和氧化。另外，因為在含有鈣和 磷條件下的材料耐腐蝕性通常易受火花侵蝕影響，并且火花通常產(chǎn)生于火花部分30的邊緣44上和/或火花表面40上。防護材料的成型必須足夠薄從而 在火花塞連續(xù)操作期間穿過火花間隙14的火花主要產(chǎn)生在基體材料36而不 是在防護材料34上。在一些實施方式中，為便于生產(chǎn)，放電表面40也可涂 覆犧牲性防護材料36，其在工作過程中從放電表面40侵蝕損失，但仍保留 在火花部分30的側(cè)面，以防止含有鈣和磷時的腐蝕。當(dāng)防護材料34由非常 薄的材料層成型時，因火花侵蝕造成的任何間隙變化并不顯著影響火花塞的 性能。因此，通常防護材料34的厚度在火花部分30側(cè)面至多0.25mm，并 且更具體地小于0.12mm，更特別地，其小于0.05mm。在放電表面40涂覆 有犧牲性防護材料36的實施方式中，優(yōu)選地，該防護材料至少在放電表面 40上的厚度小于0.05mm。而且已發(fā)現(xiàn)，防護材料在火花部分30的側(cè)面上大 約等于或小于O.Olmm足以提供對含有鈣和磷時的腐蝕的防護。在使用較厚 防護材料36的實施方式中，例如達0.25mm,在火花部分邊緣44附近可能 會產(chǎn)生一些火花侵蝕，但是由于火花活動阻止了含有磷和鈣時的腐蝕機理， 在含有磷和鈣時火花部分30的邊緣44和放電表面40通常不易受腐蝕。另外， 當(dāng)防護材料34由非常薄的一個或多個材料層組成時，防護材料34的層大體 上不受火花侵蝕影響，甚至是在邊緣44。因此，采用小于0.05mm以及更具 體地小于O.Olmm的厚度，累積或沉積到基體材料36的防護材料34的材料 量是最少的。因此，足夠的防護材料沉積到基體材料的外部圓周，以形成高 度耐腐蝕的火花部分30，同時使用于防止在邊緣44附近過度火花侵蝕的材 料量最小化。防護材料34尤其適用于高性能火花塞，因為它容許基體材料的益 處最大化，同時不需關(guān)注因鈣和磷引起的基體材料的腐蝕。更具體地，不同 于改變基體材料36的合金成分以防止存在鈣和磷時的腐蝕(其有時會不利地 影響電極性能、尤其是火花部分30的性能)，因防護材料防止了鈣和磷存在 時的腐蝕，基體材料36可保持最大化的效率以及性能。所示實施方式中的火花部分30成形為柱狀或多邊狀，其具有外部 圓周42和第一末端或放電表面40。相對放電表面40的末端接合到中央電極 20。中央電極20通常由鎳或鎳合金形成，但也可使用其它元素或合金，例如 鐵基中央電極。如圖3、 7、和9所示，防護材料34不在第一末端或放電表面40上方延伸，而在圖4-6和8中在放電表面40上延伸。當(dāng)放電表面40在 操作期間由其持續(xù)釋放火花時，對放電表面的腐蝕最少或者不存在，因為火 花現(xiàn)象將放電表面基本上與腐蝕性元素相隔離，從而顯著地減少了放電表面 的腐蝕。防護材料防止基體材料36的腐蝕或氧化。防護材料34可從由以 下元素組成的組中選取的一種或多種元素形成銥、鉑、鈀、銠、釕、錸、 銅、鉻、釩、鋯、鎳、鴇、金(Au)、鋨(Os)、鐵(Fe)、和鋁(Al)。發(fā)明 人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，帶有一種或多種從由以下元素組成的組中選取的元素的鎳的保 護涂層具有增強的抗腐蝕和氧化性能鉑、鈀、銠、釕、錸、銅、鉻、釩、 鋯、鎳、鴨、金(Au)、鋨(Os)、鐵(Fe)、和鋁(Al)。另外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)， 形成防護材料34并包括至少鎳和鉻或銅的合金具有了良好的抗腐蝕性和抗 氧化性，并且還具有長使用壽命和耐用性。已發(fā)現(xiàn)具有良好耐腐蝕的代表性 防護層為約85%重量比的鎳和15%重量比的鉻。在防護材料34內(nèi)加入銥可 容許更好地粘結(jié)或接合到主要由銥形成的基體材料36，由此具有增大的耐用 性和使用壽命。因此，防護部分34可與基體材料的一部分一起成型，以增強 基體材料36和防護材料34之間的互連，由此提升了火花塞的耐用性和壽命。己經(jīng)發(fā)現(xiàn)，以下合金具有充分的對抗腐蝕防護及充分的耐用性。 這些合金包括(1)鎳和銅，(2)鎳和鉻，(3)鎳、銅和鉻，(4)鎳、銅、以 及從由鉑、鈀、銠、釕、錸、釩、鋯、鎢、金、鋨、鐵、和鋁所組成的組中 選取的一種元素，(5)鎳、鉻、以及從由鉑、鈀、銠、釕、錸、釩、鋯、鴇、 金、鋨、鐵、和鋁所組成的組中選取的一種元素，(6)鎳、銅、鉻、以及從 由鉑、鈀、銠、釕、錸、釩、鋯、鎢、金、鋨、鐵、和鋁所組成的組中選取 的一種元素，(7)鉻，(8)銅和鉻，(9)銅和從由鉑、鈀、銠、釕、錸、釩、 鋯、鎢、金、鋨、鐵、和鋁所組成的組中選取的一種元素，(10)鉻和從由鈾、 鈀、銠、釕、錸、釩、鋯、鎢、金、鋨、鐵、和鋁所組成的組中選取的一種 元素，(11)銅、鉻、以及從由鉑、鈀、銠、釕、錸、釩、鋯、鴇、金、鋨、 鐵、和鋁所組成的組中選取的一種元素。盡管防護材料34可由上述單種合金形成，但各元素可在設(shè)置于基 體材料上的單獨的層內(nèi)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，各單個元素的單獨的層連續(xù)設(shè)置，而不
13是合金，提供了期望的充分防護，并降低了材料成本。例如，如果基體材料 是銥或銥合金，可通過電鍍將銅用作第一層，然后通過后續(xù)的電鍍方法將鎳 用于外層。當(dāng)然，鉻可取代銅來達到類似的耐腐蝕效果。當(dāng)然，可采用不同 的次序設(shè)置，只要鎳為內(nèi)層并直接與基體材料相接觸。發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，用于 包括銅、鎳、和鉻的防護材料的多個層的任何設(shè)置均是可行的，但是， 一種
具體有用的防護性分層材料通過以下方式形成將銅的第一層34a電鍍到基 體材料36，通過電鍍操作將絡(luò)的第二層34b接合到銅，然后通過電鍍操作將 鎳的第三層34c接合到鉻，如圖11中放大的截面圖所示。但是，應(yīng)當(dāng)注意， 隨后這些單個的層會與基體材料共同擴散。通過使用上述薄層，在火花塞點火過程中或制造過程中熔爐內(nèi)的 火花塞部件，以及火花塞在發(fā)動機內(nèi)的潛在的后續(xù)操作過程中，防護材料34 擴散入基體材料36，從而防護材料和基體材料擴散到一起，以致防護材料34 和基體材料36之間的確切邊界難以確定，如圖10所示。更確切地，因為基 體材料36繞外部圓周與防護材料34相擴散，在截面視圖中，火花部分30 從外部圓周42附近的主要是防護材料穿過擴散區(qū)域90，在該區(qū)域內(nèi)隨著臨 近基體材料的中心，防護材料的量逐漸降低(圖10)。圖3-10顯示了擴散前 對厚度的放大形式的防護材料34。如圖10所示，所示的層在外部圓周處為 約100%的防護材料，在所示的內(nèi)部邊界91處減小到至少10%，甚至一旦發(fā) 生擴散后沒有明確的邊界。更具體地，防護材料的擴散區(qū)域90從其材料幾乎 100%由防護材料34形成的外部圓周42朝向火花部分30的中心32延伸，直 至基體材料36基本上占主體地位，例如在形成內(nèi)部邊界91的給定區(qū)域其重 量比大于90%。如圖10所示，可發(fā)現(xiàn)基體材料與防護材料等量的區(qū)域64。 本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該認識到，為了視覺上清晰表示，相對于說明書中描述 或權(quán)利要求書中的權(quán)利要求，圖示的防護材料層或擴散區(qū)域為相對基體材料 要厚的多。因此，當(dāng)防護材料34擴散入基體材料36時，其產(chǎn)生該基體材料 與防護材料的非常薄的合金部分。由于運轉(zhuǎn)狀態(tài)的火花塞具有擴散入防護材料34的基體材料36和 擴散入基體材料36的防護材料34，在操作過程中很難將防護材料34與基體 材料36分離開，因可能產(chǎn)生有較厚的包覆材料。例如，帶有厚度大于0.12mm的外層的覆層基體，更具體地，厚度大于0.25mm，該覆層基體因為不同的 材料而具有不同的熱特性(thermal profile),當(dāng)火花塞在熱冷熱循環(huán)之間持 續(xù)波動時這些材料隨時間會相互分離。因此，由于火花塞具有擴散入基體材 料的薄層，而不是具有明顯的單個層，因其抗火花侵蝕的增加、抗腐蝕性的 增加、以及耐久性的增加，從而增加了火花塞的操作壽命。包括火花部分30的火花塞10可通過任何已知的方法制造?；鸹?塞的制造是熟知的，包括在中央電極20和/或接地電極12上添加火花部分 30。在本發(fā)明中，火花塞30可粘結(jié)、電阻焊接、激光焊接、或通過任何熟知 方法接合到中央電極20和/或接地電極12?；鸹ㄈ?0通常包括金屬外殼、 絕緣體、和設(shè)置于該絕緣體內(nèi)的中央電極20，從而中央電極20上的火花部 分30向接地電極12突出，并具有放電表面40 (圖2)。該絕緣體通常由氧化鋁形成，并具有一個通道，中央電極20可通 過該通道延伸。該金屬外殼由柱狀金屬套管形成，包括旋入發(fā)動機組件的螺 紋部分。該金屬外殼通常由普碳鋼形成，但也可以是不銹鋼或其它材料?；鸹ㄈ?0可通過任何已知方法制造?；鸹ㄈ闹圃焓鞘熘?，包 括在中央電極20和/或接地電極12上添加火花部分30。在本發(fā)明中，火花 塞30可粘結(jié)、電阻焊接、激光焊接、或通過任何熟知方法接合到中央電極 20和/或接地電極12?；鸹ㄈ?0通常包括金屬外殼、絕緣體、和設(shè)置于該絕 緣體內(nèi)的中央電極20，從而中央電極20上的火花部分30向接地電極12突 出，并具有放電表面40。通常，火花部分30首先通過從由鉑、鈀、銠、銥、釕、錸、或其 合金形成基體材料36而成型。火花部分30的基體材料36可通過任何公知方 法形成?；w材料36可通過熱成形、熱軋、或熱拉絲而形成為金屬片狀、圓 盤狀、線絲狀、或棒狀。成型基體材料36的另一種辦法是利用金屬粉末，并 將該粉末熔融以形成基體材料36?？赏ㄟ^電弧熔融、電子束熔融、激光熔融、 高頻傳導(dǎo)熔融、等離子熔融、或其它已知方法進行該熔融處理。基體材料36大致成型為期望形狀(通常為狹長的棒狀或絲線)后， 將防護材料34添加到成型為棒狀或絲線的基體材料36?？赏ㄟ^諸如在無電 解鍍層上的電解、電沉積、濺射、火焰噴涂、或共擠等工藝添加防護材料34。關(guān)鍵之處在于，當(dāng)添加到基體層時，防護層的厚度不大于0.25mm，更具體 地最好該防護層小于0.12mm。當(dāng)然，可使用在基體材料外部表面上具有小 于0.25mm尤其是小于0.12mm的薄層的任何其它手段，以將防護材料34施 加到基體材料36。一旦在基體材料36的外部的防護材料34形成火化部分30， 該狹長部分被切削、沖壓、或壓制成合適的長度，并且這些單個的片材適于 接合到中央電極20或接地電極12。將火花部分接合到接地電極12和/或中央電極20上的方法包括焊 接(例如電阻焊、激光焊或其他手段)到中央或接地電極12/20。另一種方 法是在火花部分30的外部表面上形成壓痕或凹痕，以產(chǎn)生機械鎖固機構(gòu)(圖 未示)。中央電極20被鉆孔至與火花部分30相同的直徑，并將火花部分30 插入孔中(圖7)。然后利用諸如激光加熱中央電極20，從而金屬繞插入的火 花部分30熔融，并形成入外部表面的凹痕內(nèi)。當(dāng)然，可對火花部分30實施 其它成型操作，例如制作有頭的鉚釘(headedrivet)，然后如本領(lǐng)域所公知， 可將火花部分接合到中央電極20。另外，火花部分30可接合到另一個絲線 或圓盤并焊接于其上，然后焊接到中央電極20，以加強中央電極20與火花 部分30的結(jié)合。圖3中顯示的中央電極20直接焊接到中央電極20，中央電極20 可經(jīng)處理以減小中央電極鎳端頭21的直徑，并提供空腔22以用于容納火花 部分30?；鸹ú糠?0可包括多種配置，例如作為從一種以上材料形成集成 的火花部分30，然后涂覆防護材料。更具體地，作為一個示例，可由鎳部分 和銥部分形成火花部分，其裝配到中央電極上(圖6)。防護材料36可覆蓋 各部分，并在裝配到中央電極之前或之后涂覆。如圖3和4所示，火花部分 30可首先處理以利用防護材料34涂覆基體部分36。當(dāng)火花部分30涂覆防護 材料34后，其焊接到中央電極20。因火花部分30焊接到中央電極20產(chǎn)生 熔池(weld pools) 38。在圖5、 6中，當(dāng)基體材料36接合到中央電極20后 施加火花部分30。更具體地，基體材料36接合到中央電極20，然后防護材 料34施加到中央電極20和基體材料36。這容許了在制造過程中容易地應(yīng)用 防護材料。在圖6中，多層鉚釘形成為火花部分，其使基體材料接合到另一 種材料33，典型地為鎳合金。下述文獻公開了一種集成的火花部分30的實施例美國專利申請序列號No.11/602，028，申請日為2006年11月20日， 名稱為"帶有多層點火端頭的火花塞的成型方法"；美國專利申請序列號 No.11/602，146，申請日為2006年11月20日，名稱為"帶有多層點火端頭的 火花塞"；以及美國申請序列號No.11/602,169，申請日為2006年11月20日， 名稱為"帶有多層點火端頭的火花塞"；其均引用并入本發(fā)明。如上所述，可 以僅火花部分包括防護材料層，或者中央電極和基體部分可包括防護材料層。 防護材料34涂覆到該多層鉚釘以形成火花部分30。然后該多層鉚釘火花部 分30接合到中央電極，如通過焊接。圖6所示的多層鉚釘接合到中央電極， 然后涂覆防護材料，但是，也可首先涂覆防護材料然后接合。圖9顯示了接 合到接地電極12的火花部分30。防護材料34也可通過連續(xù)步驟將添加到基體材料36上。更具體 地，如果需要包括三種元素的防護層，三種元素可以三個不同的層順次添加 形成防護層。這些層可通過熱處理或化學(xué)處理擴散到一起，或者在發(fā)動機運 轉(zhuǎn)過程中擴散到一起。將火花部分接合到接地電極12和/或中央電極20上的方法包括焊 接(例如電阻焊、激光焊或其他手段)到中央12和/或接地電極20。另一種 方法是在火花部分30的外部表面上形成壓痕或凹痕，以產(chǎn)生機械鎖固機構(gòu)。 中央電極20被鉆孔至與火花部分30相同的直徑，并將火花部分30插入該產(chǎn) 生的孔中。然后利用諸如激光加熱中央電極30，從而金屬繞該棒熔融，并形 成入該棒外部表面的凹痕內(nèi)。防護材料可進一步通過化學(xué)或加熱處理加強。熱處理可在火花部 分30接合于中央電極之前或之后進行。例如，在火花塞10的最后點火過程 中可進行火花部分30的熱處理，從而基體材料36和防護層34的連接因防護 層34擴散入基體材料36而增強。材料擴散的發(fā)生，使兩層之間的界面產(chǎn)生 擴散的邊界層，而不是明確的邊界。另外，由于兩種材料類似，并各具有另 外一種擴散入的部分，兩層之間的擴散容許了分子級的更緊密連接，同時在 放電表面具有期望的抗火花侵蝕性，以及在外部圓周上的期望的抗腐蝕性。在制造過程中，防護材料至少部分地擴散入基體材料內(nèi)，其提供 了防止腐蝕的加強的防護。更具體地，在玻璃密封的點火過程中，例如在高于53(TC的溫度下，防護材料開始擴散入基體材料內(nèi)。例如，當(dāng)鎳防護材料 34開始擴散入銥的基體材料36時，銥鎳合金提供了超越鎳或銥自身性能的 加強的防護。因此，防護材料形成擴散區(qū)域39，如圖10所示。擴散區(qū)域90 提供防護，即使未擴散的防護材料34受侵蝕損耗。另外，己經(jīng)發(fā)現(xiàn)，基體材 料與防護材料的結(jié)合提供了加強的防護。更具體地，當(dāng)火花塞典型地在約 75(TC至IOO(TC的溫度下點火以形成玻璃密封時，防護材料開始擴散入基體 材料以形成擴散區(qū)域39。擴散區(qū)域從火花部分的中心移動，其主要是集體材 料，直至到達區(qū)域64時，基體材料和防護材料以大約相等的量存在，然后移 動到臨近火花部分30的外部邊緣時主要是防護材料。擴散區(qū)域90也臨近火 花部分30的外部部分。根據(jù)施加的防護材料的厚度，在制造工藝過程中擴散 區(qū)域可不被暴露，因此外部表面僅為防護材料。但是，在發(fā)動機操作過程中， 防護材料可形成火花部分的外部表面。以上討論披露和描述了本發(fā)明示例性的實施方式。本領(lǐng)域的技術(shù) 人員容易理解，通過上述討論，以及通過附圖和后附的權(quán)利要求，在不偏離 由以下權(quán)利要求限定的本發(fā)明的適當(dāng)范圍和主旨的前提下，可對其進行多種 改變、修正和變型。
權(quán)利要求
1、一種火花塞，具有中央電極和接地電極，并且所述中央電極和所述接地電極的至少一個包括火花部分，該火花部分包括基體材料和防護材料，該防護材料包括鎳以及從由鉑、鈀、銠、銥、釕、錸、銅、鉻、釩、鋯、鎢、鋨、金、鐵、和鋁所組成的組中選取的至少一種元素。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的火花塞，其中所述基體材料包括銥。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的火花塞，其中所述從由鉑、鈀、銠、銥、釕、 錸、銅、鉻、釩、鋯、鎢、鋨、金、鐵、和鋁所組成的組中選取的至少一種 元素，是從由鉑、鈀、銠、銥、釕、和錸所組成的組中選取。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的火花塞，其中所述從由鉑、鈀、銠、銥、釕、 錸、銅、鉻、釩、鋯、鎢、鋨、金、鐵、和鋁所組成的組中選取的至少一種 元素，是從由銅、鉻、釩、鋯、鎢、鋨、金、鐵、和鋁所組成的組中選取。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的火花塞，其中所述防護材料的鎳含量大于所述 防護層重量的50%。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的火花塞，其中所述防護材料包括至少80%重 量比的鎳。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的火花塞，其中所述防護材料的鎳占所述防護層 重量的80%至卯％。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的火花塞，其中所述防護材料包括小于99%重 量比的量的鎳。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的火花塞，其中所述防護材料包括小于95%重 量比的量的鎳。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的火花塞，其中所述防護材料包括從由鉑、鈀、 銠、銥、釕、和錸所組成的組中選取的至少一種元素，其含量小于所述防護 層重量的85%。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的火花塞，其中所述防護材料包括從由鉑、鈀、 銠、銥、釕、和錸所組成的組中選取的至少一種元素，其含量小于所述防護 層重量的50%。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的火花塞，其中所述防護材料包括從由鉑、鈀、 銠、銥、釕、和錸所組成的組中選取的至少兩種元素的組合物，其含量小于所述防護層重量的90%。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的火花塞，其中所述防護材料包括從由銅、鉻、 釩、鋯、鎢、鋨、金、鐵、和鋁所組成的組中選取的至少一種元素，其含量 小于所述防護層重量的40%。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的火花塞，其中所述防護材料包括從由銅、鉻、 釩、鋯、鎢、鋨、金、鐵、和鋁所組成的組中選取的至少一種元素，其含量 小于所述防護層重量的20%。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的火花塞，其中所述防護材料包括從由銅、鉻、 釩、鋯、鎢、鋨、金、鐵、和鋁所組成的組中選取的至少一種元素，其含量 小于所述防護層重量的5%。
16、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的火花塞，其中所述防護材料包括從由銅、鉻、 釩、鋯、鎢、鋨、金、鐵、和鋁所組成的組中選取的至少一種元素，其含量 小于所述防護層重量的0.5%。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的火花塞，其中所述防護材料包括從由銅、鉻、 釩、鋯、鎢、鋨、金、鐵、和鋁所組成的組中選取的至少一種元素，其含量 小于所述防護層重量的5%。
18、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的火花塞，其中所述防護材料包括從由銅、鉻、 釩、鋯、鎢、鋨、金、鐵、和鋁所組成的組中選取的至少一種元素，其含量 占所述防護層重量的0.5%至50%。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的火花塞，其中所述防護材料包括從由銅、鉻、 釩、鋯、鎢、鋨、金、鐵、和鋁所組成的組中選取的至少一種元素，其含量 占所述防護層重量的5%至30%。
20、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的火花塞，其中所述防護材料包括從由銅、鉻、 釩、鋯、鎢、鋨、金、鐵、和鋁所組成的組中選取的至少一種元素，其含量 占所述防護層重量的7%至25%。
21、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的火花塞，其中所述防護材料包括從由銅、鉻、 釩、鋯、鎢、鋨、金、鐵、和鋁所組成的組中選取的至少一種元素，其含量 占所述防護層重量的10%至18%。
22、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的火花塞，其中所述基體材料包括小于40%重 量比的從由鉑、鈀、銠、釕、和錸所組成的組中選取的一種或多種元素。
23、 根據(jù)權(quán)利要求22所述的火花塞，其中所述基體材料包括小于5%重量比的銠。
24、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的火花塞，其中所述防護材料包括0.5%至20%重量比的量的鉻。
25、 根據(jù)權(quán)利要求24所述的火花塞，其中所述防護材料包括5%至18% 重量比的量的輅。
26、 根據(jù)權(quán)利要求24所述的火花塞，其中所述防護材料包括小于10% 重量比的從由銅、釩、鋯和鎢所組成的組中選取的一種或多種元素。
27、 根據(jù)權(quán)利要求26所述的火花塞，其中所述防護材料包括小于7%重 量比的銅。
28、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的火花塞，其中所述基體材料包括50%至100% 重量比的銥，并且所述防護材料包括75%至99%重量比的鎳、5%至25%重 量比的鉻、且其余量從由銅、釩、鋯、鎢、鉑、鈀、銠、釕、和錸所組成的 組中的一種或多種元素中選取。
29、 根據(jù)權(quán)利要求28所述的火花塞，其中所述基體材料包括90%至100% 重量比的銥，并且所述防護材料包括80%至90%重量比的鎳、10%至20%重 量比的鉻、且其余量從由銅、釩、鋯、鎢、鉑、鈀、銠、釕、和錸所組成的 組中的一種或多種元素中選取。
30、 根據(jù)權(quán)利要求28所述的火花塞，其中所述防護材料包括小于10% 重量比的銅。
31、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的火花塞，其中所述基體材料包括50%至100% 重量比的銥，并且所述防護材料包括0.001%至卯％重量比的鎳、小于10% 重量比的鉻以及小于10%重量比的銅。
32、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的火花塞，其中所述從由鉑、鈀、銠、銥、釕、 錸、銅、鉻、釩、鋯、鎢、鋨、金、鐵、和鋁所組成的組中選取的至少一種 元素為鉑。
33、 根據(jù)權(quán)利要求32所述的火花塞，其中所述鉑形成所述防護材料的至 少90%。
34、 根據(jù)權(quán)利要求33所述的火花塞，其中所述防護材料與所述基體材料 相擴散，以在鄰近所述火花塞的外表面形成合金，所述合金包括所述基體材 料、鉑、和鎳。
35、 根據(jù)權(quán)利要求34所述的火花塞，其中所述基體材料是銥，并且所述合金包括銥、鉑和鎳。
36、 一種火花塞，具有中央電極和接地電極，并且其中所述中央電極和 所述接地電極的至少一個包括火花部分，該火花部分包括基體材料和防護材 料，該防護材料包括從由銅、鉻、釩、鋯、鎢、鉑、鈀、銠、銥、釕、錸、 金、鋨、鐵、和鋁所組成的組中選取的至少一種元素。
37、 根據(jù)權(quán)利要求36所述的火花塞，其中所述防護材料包括大于50% 重量比的鉑。
38、 根據(jù)權(quán)利要求37所述的火花塞，其中所述防護材料包括大于80% 重量比的鉑。
39、 根據(jù)權(quán)利要求36所述的火花塞，其中所述防護材料包括1%至40% 重量比的鉻。
40、 根據(jù)權(quán)利要求39所述的火花塞，其中所述防護材料包括1%至40% 重量比的銅。
41、 根據(jù)權(quán)利要求36所述的火花塞，其中所述防護材料包括1%至40%重量比的鉻和銅或者二者的組合。
42、 根據(jù)權(quán)利要求41所述的火花塞，其中所述防護材料包括1%至80%重量比的鉑。
43、 根據(jù)權(quán)利要求36所述的火花塞，其中所述防護材料包括0.5%至20% 重量比的銅以及0.5%至20%重量比的鉻。
44、 根據(jù)權(quán)利要求36所述的火花塞，其中所述防護材料包括小于40% 重量比的從由銅和鉻組成的組中選取的至少一種元素，并且包括小于95%重 量比的鎳。
45、 根據(jù)權(quán)利要求36所述的火花塞，其中所述防護材料包括鎳以及從由 銅、鉻、釩、鋯、鎢、鉑、鈀、銠、銥、釕、錸、金、鋨、鐵、和鋁所組成 的組中選取的至少一種元素。
46、 根據(jù)權(quán)利要求36所述的火花塞，其中所述防護材料通過在非電解鍍 層上的電解涂覆到所述基體材料。
47、 根據(jù)權(quán)利要求36所述的火花塞，其中所述防護材料通過電沉積涂覆 到所述基體材料。
48、 根據(jù)權(quán)利要求36所述的火花塞，其中所述防護材料通過濺射涂覆到 所述基體材料。
49、 根據(jù)權(quán)利要求36所述的火花塞，其中所述防護材料通過火焰噴涂涂 覆到所述基體材料。
50、 根據(jù)權(quán)利要求36所述的火花塞，其中所述防護材料通過電鍍涂覆到 所述基體材料。
51、 根據(jù)權(quán)利要求36所述的火花塞，其中所述防護材料與所述基體材料 被一起擠壓成型。
52、 根據(jù)權(quán)利要求36所述的火花塞，其中所述火花部分經(jīng)熱處理，以將 所述防護材料局部擴散入所述基體材料。
53、 根據(jù)權(quán)利要求36所述的火花塞，其中所述火花部分經(jīng)化學(xué)處理，以 部將所述防護材料局部擴散入所述基體材料。
54、 根據(jù)權(quán)利要求36所述的火花塞，其中所述從由鉑、鈀、銠、銥、釕、 錸、銅、鉻、釩、鋯、鎢、鋨、金、鐵、和鋁所組成的組中選取的元素為鉻。
55、 根據(jù)權(quán)利要求36所述的火花塞，其中所述從由鉑、鈀、銠、銥、釕、 錸、銅、鉻、釩、鋯、鎢、鋨、金、鐵、和鋁所組成的組中選取的至少一種 元素為鈀。
56、 根據(jù)權(quán)利要求36所述的火花塞，其中所述從由鉑、鈀、銠、銥、釕、 錸、銅、鉻、釩、鋯、鎢、鋨、金、鐵、和鋁所組成的組中選取的至少一種 元素為鉑。
57、 根據(jù)權(quán)利要求36所述的火花塞，其中所述防護材料初始地由至少兩 個不同的層形成，該第一層從由鎳、銅、鉻、釩、鋯、鎢、鉑、鈀、銠、銥、 釕、錸、金、鋨、鐵、和鋁所組成的組中選取，以及該第二層由不形成所述 第一層的元素形成。
58、 根據(jù)權(quán)利要求36所述的火花塞，其中所述防護材料至少部分地擴散 入所述基體材料，以形成所述基體材料和防護材料的合金層，并且鄰近該火 花部分的外表面，其中所述基體材料和所述防護材料在該火花塞制造過程中 局部擴散到一起。
59、 根據(jù)權(quán)利要求36所述的火花塞，其中所述防護材料是鉑，并且其中 所述鉑至少部分地擴散入所述基體材料，以形成鉑和銥的合金。
60、 根據(jù)權(quán)利要求59所述的火花塞，其特征在于，還包括鎳，并且所述合金也包括鎳。
61、 根據(jù)權(quán)利要求36所述的火花塞，其中所述基體材料主要為銥，并且所述防護材料包括從所述由鉑、鉻和鎳所組成的組中選取的一種元素，所述 防護材料所述銥基體材料在鄰近該火花部分表面形成合金。
62、 一種火花塞，具有中央電極和接地電極，其中所述中央電極和所述 接地電極的至少一個包括火花部分，該火花部分包括基體材料和防護材料， 該防護材料包括至少兩層，該第一層從由鎳、銅、鉻、釩、鋯、鎢、鉑、鈀、 銠、銥、釕、錸、金、鋨、鐵、和鋁所組成的組中選取，并且該第二層由不 形成所述第一層的一種元素形成。
63、 根據(jù)權(quán)利要求62所述的火花塞，其中所述兩層與所述接地電極在該 火花塞的制造過程中擴散到一起，以形成臨近該火花部分外表面的合金區(qū)域， 并且其中所述合金包括所述基體材料以及所述從由鎳、銅、鉻、釩、鋯、鎢、 鉑、鈀、銠、銥、釕、錸、金、鋨、鐵、和鋁所組成的組中選取的兩種元素。
64、 一種火花塞，具有中央電極和接地電極，其中所述中央電極和所述 接地電極的至少一個包括火花部分，該火花部分包括基體材料和防護材料， 并且其中所述基體材料與所述防護材料擴散到一起，以形成基本上臨近該火 花部分外表面的合金層，其中合金層從該外表面附近的主要為防護材料向主 要為基體材料移動約0.3mm以內(nèi)。
65、 根據(jù)權(quán)利要求64所述的火花塞，其中所述防護材料作為具有小于 0.25mm厚度的層被涂覆。
66、 根據(jù)權(quán)利要求66所述的火花塞，其中所述防護材料通過加熱擴散入 該基體材料。
67、 根據(jù)權(quán)利要求64所述的火花塞，其中所述基體材料包括外部基體圓 周表面，其中當(dāng)所述火花部分加熱到53(TC以上時，在所述基體材料和所述 防護材料之間的邊界形成擴散合金。
68、 根據(jù)權(quán)利要求64所述的火花塞，其中所述基體材料包括外部基體圓 周表面，并且其中當(dāng)所述火花部分加熱到約76(TC至82(TC之間時，以擴散在 所述基體材料和所述防護材料之間的邊界，以形成該基體材料和防護材料的 擴散合金。
全文摘要
一種火花塞，具有中央電極和接地電極，其中該中央電極和接地電極中的至少一個包括基體材料和防護材料，該防護材料基本上防止了該基體材料的腐蝕。
文檔編號H01T13/20GK101461106SQ200780021095
公開日2009年6月17日 申請日期2007年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月7日
發(fā)明者艾里納·勒維納, 詹姆斯·D·呂科瓦基 申請人:費德羅-莫格爾公司